具有溫度管理控制功能的LED驅(qū)動(dòng)器LM3424及其應(yīng)用

摘要：介紹了具有溫度管理控制功能的LED驅(qū)動(dòng)器LM3424的引腳功能和典型應(yīng)用電路，并對(duì)LED電流檢測電路和熱能回折電路的工作原理作了詳細(xì)介紹，最后以boost典型應(yīng)用電路為例，介紹了L343424芯片主要外圍元件的選取方法。
關(guān)鍵詞：LM3424；熱能回折(Thermalfoldbaek)；溫度管理；LED

0 引言
    LM3424是美國國家半導(dǎo)體推出的具有溫度管理與控制功能的一款新品LED驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)多達(dá)18顆串聯(lián)的高亮度LED，適用于多
種不同的室內(nèi)／戶外照明系統(tǒng)以及汽車照明應(yīng)用。在典型的應(yīng)用情況下，LM3424可輸出2 A以上的驅(qū)動(dòng)電流，并可為降壓、升壓、SEPIC、反激及升／降壓拓?fù)涞雀黝悜?yīng)用提供穩(wěn)壓電流，可適用于4．5～75 V的較寬輸入電壓范圍，而且其內(nèi)置的PWM控制器可支持高速操作。

1 引腳功能
    LM3424采用散熱能力更強(qiáng)的20引腳TSSOP封裝形式，其引腳排列如圖1所示。各引腳的功能說明如表1所列。

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2 工作原理
2．1 平均工作電流
    為了更好地理解LM3424的平均電流ILED，可先忽略熱能回折電路的影響，在圖2所示的LED電流檢測電路中，熱能回折電路可等效為一
個(gè)電流為零的恒流源(ITF=0A)。LM3424使用外接的電流檢測電阻(RSNS)串接在LED電路中，它可將LED電流(ILED)轉(zhuǎn)換為電壓(VSNS)。引腳HSP和HSN是檢測放大器的兩個(gè)輸入端。由運(yùn)放知識(shí)可知，該電路的兩引腳的電位相等(VHSP=VHSN)，因此，檢測電阻上的電壓VSNS即為電阻RHSP上的電壓，因此，若ITF=0A，則有：
   
    而用誤差放大器可將CSH端的電壓控制在恒為1．24V，所以，該電壓VSNS的值為：
   
    式中的三個(gè)電阻RSNS，RCSH和RHSP并不是任意的，為匹配和減小噪聲，建議將電流ICSH設(shè)定為100 μA左右。由于這個(gè)電流不流經(jīng)LED，所以并不對(duì)LED截止電流和LED電流的調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響。ICSH的值可以大于或小于100μA，但這樣會(huì)對(duì)檢測放大器的補(bǔ)償特性產(chǎn)生一些影響。另外，為盡量減小對(duì)檢測放大器電壓偏移的影響，VSNS的極小值建議取50 mV。

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2．2 熱能回折(Thermal Foldback)電路
    熱能回折電路在許多應(yīng)用中都是很必要的，由于受到實(shí)際工作環(huán)境的影響，LED的內(nèi)部溫度可能會(huì)飆升至極高的水平。而熱能回折電路可以監(jiān)控系統(tǒng)熱能，以免溫度失控。其電路的熱能回折原理特性如圖3所示，圖中，TBK為溫度閾值點(diǎn)，當(dāng)LED溫度高于該值時(shí)，即進(jìn)入非安全區(qū)，LED的壽命及照明效果便會(huì)受到影響。而這時(shí)，由于LED電流ILED也開始隨之減小，減少的電流會(huì)使LED的亮度隨之下降，但仍然保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，直至操作溫度恢復(fù)到安全的操作范圍內(nèi)。事實(shí)上，采用LM3424芯片可為照明系統(tǒng)的LED設(shè)置溫度及斜坡斷點(diǎn)，從而確保LED停留在安全區(qū)內(nèi)操作。

    圖2所示的熱能回折電路可通過添加到LM3424器件CSH端的電流ITF來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)ITF電流增大時(shí)，檢測放大器的輸出電流會(huì)相應(yīng)減小，以使
LED的電流控制在一個(gè)較低的值。當(dāng)ITF=ICSH時(shí)，其可到達(dá)溫度最高點(diǎn)TEND，這時(shí)，ILED=0A。

    下面分析該電路的具體控制過程。
    ITF的大小是由差分電壓VDIF決定的(VDIF=VTREF-VTSENSE)，其中VTREF可由RREF1和RREF2分壓得到(典型值為2．45 V)。VTSENSE則可由一個(gè)NTC電阻得到，由圖2可知，若VDIF<0 V，則檢測溫度小于TBK，差分檢測放大器的輸出ITF=0，即沒有反饋。而檢測溫度等于TBK時(shí)，VDIF =0 V，ITF=0。這時(shí)，溫度閾值為TBK時(shí)的NTC電阻值可由下式得到：
   
    通常可設(shè)置RREF1=RREF2，從而有RBIAS=RNTC-BK。若VDIF>0 V(溫度高于TBK)，則運(yùn)算放大器的輸出電壓值與VDIF相等，所以，RGAIN上的電流(由恒流源的知識(shí)可知其與ITF相等)會(huì)隨著溫度的上升而改變，即，ITF為：
   
    熱能回折電路也可看成是一種模擬調(diào)光，只要想辦法控制引腳TREF和TSENSE之間的差分電壓，就能改變LED的電流，從而實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)光。VDIF>0 V時(shí)的LED電流可由下式得到：
   

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3 典型工作電路及元器件選擇設(shè)計(jì)
    由于LM34242芯片可為buck、boost、SEPIC和buck-boost拓?fù)涞母黝悜?yīng)用提供穩(wěn)壓電流，本文僅給出boost時(shí)典型應(yīng)用電路，并以它為例介紹主要元件的選取設(shè)計(jì)。圖4所示是其典型應(yīng)用電路。

3．1 電感L1的選擇
    L1是開關(guān)調(diào)整的主要能量存儲(chǔ)器件，不同的拓?fù)潆娐分?，能量從電感傳輸?shù)截?fù)載的方式不同。電感上的紋波電流(△iL-PP)主要由電感量、通過電感的電壓和開關(guān)頻率決定。在設(shè)計(jì)過程中，L1需要根據(jù)得到的△iL-PP來進(jìn)行選擇。對(duì)于buck調(diào)節(jié)器，由于電感是直接與負(fù)載連接，而不需要接輸出電容，因此，△iL-PP基本與LED的紋波電流△iLED-PP)相等。boost和buck-boost調(diào)節(jié)器應(yīng)當(dāng)接有輸出電容，以用于減少△iLED-PP，因此，該電感的可允許紋波要比buck調(diào)節(jié)器大一些。通?！鱥LED-PP要小于ILED值的40％。由于buck調(diào)節(jié)器沒有輸出電容，所以，△iL-PP應(yīng)小于ILED的40％。而對(duì)于boost和buck-boost等拓?fù)潆娐罚捎谟休敵鲭娙菘梢匝a(bǔ)償，△iL-PP可以大一些。但是，一般建議△iL-PP要小于平均電感電路的一半，以限制電感的輸出功率。所以boost和buck-boost調(diào)節(jié)器中的電感取值為：
   
3．2 LED動(dòng)態(tài)電阻
    當(dāng)負(fù)載為一串LED時(shí)，其輸出負(fù)載電阻是LED串的動(dòng)態(tài)電阻加上RSNS。由于LED是半導(dǎo)體二極管，所以，當(dāng)通過的電流變化時(shí)，其阻值也會(huì)漂移。若只是通過二極管的正向電壓除以正向電流得到動(dòng)態(tài)電阻，則該值是不正確的。其結(jié)果可能大于實(shí)際值的5～10倍。這一點(diǎn)在設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮。
3．3 輸出電容
    對(duì)于boost和buck-boost調(diào)節(jié)器來說，輸出電容(CO)可為負(fù)載提供能量。當(dāng)續(xù)流二極管D1反向截止時(shí)，在buck中，輸出電容僅僅是減少LED紋波電流(△iLED-PP)，以使其低于電感的紋波電流(△iL-PP)。在所有電路結(jié)構(gòu)中，適當(dāng)?shù)腃0的大小能提供一個(gè)合適的△iLED-PP。由于△iLED-PP要小于LED平均電流(ILED-PP)的40％。所以，C0應(yīng)仔細(xì)選取，因?yàn)樗鼤?huì)影響到工作溫度和工作電壓。一般情況下，磁片電容是理想的選擇。對(duì)于boost調(diào)節(jié)器，C0的取值是：
   
    其中，rD=NrLED，N是串聯(lián)LED的數(shù)目，rLED是單個(gè)LED的動(dòng)態(tài)電阻。
3．4 輸入電容
    輸入電容(CIN)可在開關(guān)狀態(tài)的間斷期間提供能量。對(duì)于buck和buck-boost，CIN在tON和tOFF時(shí)間都提供能量，而輸入電壓源則以平均電流(IIN)給輸入電容充電。大多數(shù)應(yīng)用中都需要在輸入引腳VIN處放置一個(gè)0．1μF的陶瓷電容，而且它要盡可能的靠近輸入引腳。在某些情況下，大容量的輸入電容可能遠(yuǎn)離LM3424，但應(yīng)在大容量輸入電容和旁路電容之間放置一個(gè)10Ω的串聯(lián)電阻，從而構(gòu)成一個(gè)150 kHz濾波器，以濾除不希望的頻率噪聲。boost調(diào)節(jié)器時(shí)，CIN的取值為：
   
3．5 主MOSFET／調(diào)光MOSFET
    LM3424需外接NFET(Q1)作為主MOSFET以構(gòu)成開關(guān)調(diào)節(jié)器。Q1的額定電壓至少應(yīng)高于電路最大工作電壓的15％才能保證正常工作。當(dāng)PWM
調(diào)光時(shí)，LM3424還需要另一個(gè)MOSFET(Q2)，且它應(yīng)串聯(lián)在LED上(在buck中是并聯(lián))。該MOSFET的額定電壓可與輸出電壓(Vo)相等，額定電流至少要高于(ILED)10％。由于續(xù)流二極管(D1)在toFF時(shí)承載著電感上的電流，因此，D1通常應(yīng)選肖特基二極管。

4 結(jié)束語
    本文介紹了具有溫度管理控制功能的LED驅(qū)動(dòng)器LM3424的主要功能和應(yīng)用電路的設(shè)計(jì)方法。同時(shí)介紹了其具有的熱能回折功能、原理和應(yīng)用。最后以boost典型應(yīng)用電路為例，給出了LM3424主要外圍元件的選取方法。